CN1794000A

CN1794000A - 发电机实时功角监测装置

Info

Publication number: CN1794000A
Application number: CN 200510045145
Authority: CN
Inventors: 张大海; 刘玉田
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2005-11-23
Filing date: 2005-11-23
Publication date: 2006-06-28
Anticipated expiration: 2025-11-23
Also published as: CN100386642C

Abstract

本发明公开了一种发电机实时功角监测装置。该发电机实时功角监测装置包括CPU模块、GPS模块、转子脉冲采集与光电隔离电路、硬件时钟与信号采集电路、键盘与显示模块，以及电源模块等。首先接收全球定位系统(GPS)发送的时钟信息，获得当前精确时间，同时利用转子脉冲采集电路和信号采集电路，采集发电机转子上的光电传感器发出的脉冲信号，对发电机转子位置进行实时监测，获得发电机内电势相位；然后通过数据通信获得发电机端电压相位；最后通过计算发电机内电势相位和机端电压相位的相位差获得功角。本发明具有测量精度高、响应速度快、成本低、体积小的特点。

Description

说明书发电机实时功角监测装置

技术领域

本发明涉及实时直接测量发电机的转子位置和功角的装置。

背景技术

随着经济和社会的发展，电力系统的规模日益扩大，对电力系统安全稳定运行的监视和控制提出了更严格的要求。电力系统中的功角是反映系统稳定状态的最直接的物理量，但是因为缺乏高精度的同步时钟，长期以来电力系统无法直接获得系统中各节点同一时刻的电压相量和功角。随着美国将其全球定位系统(Global Positioning System，简称GPS)开放给民用，电力系统获得了新的时间同步手段。近年来，基于GPS的相量测量装置(PhaseMeasurement Unit，简称PMU)已经研制成功并且在美国和法国等国家投入实际应用，我国的一些单位也开展了PMU的研制和应用工作。

在电力系统中，使用现有的PMU可以方便地测量出母线电压相量，包括其幅值和相角。但在发电厂中，还需要测量发电机内电势相位，测量的方法包括间接法和直接法。其中间接法是利用测量到的发电机机端电压和电流，以及已知的发电机参数来计算出发电机内电势相位；直接法则是利用安装在发电机上的位置传感器，通过检测转子位置来测量发电机内电势相位。直接法不受发电机模型和参数的影响，而且当系统处于暂态过程时比间接法具有更高的测量精度，因此具有更大的优越性。

目前我国电力系统正在开展广域动态安全稳定监控系统的研究和建设，迫切需要监测各发电机的转子位置和内电势相位，计算发电机的功角，从而满足电力系统安全稳定性的分析、动态安全评价、预防与紧急控制等需要。现有的PMU装置虽然也可以用于发电机测量，但它是通过间接法计算得到发电机内电势相位和功角，受到发电机模型和暂态过程等因素影响，精度不如直接法。因此利用当前GPS系统和发电机上的位置传感器(例如光电传感器等)，开发高精度的发电机转子位置和功角监测装置是非常必要的。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种检测精度高、响应速度快、成本低的发电机实时功角监测装置。

本发明采用以下技术方案实现：

该发电机实时功角监测装置包括CPU模块、GPS模块、转子脉冲采集与光电隔离电路、硬件时钟与信号采集电路、键盘与显示模块，以及电源模块：

CPU模块：与GPS模块、转子脉冲采集与光电隔离电路、硬件时钟与信号采集电路、键盘与显示模块相连接，用于转子位置信号的采集，形成GPS时标，进行数据通讯、完成功角计算等数据处理和分析任务；

GPS模块：与CPU模块连接，当收到GPS信号后，通过串行通讯口向CPU模块发出时间信息，同时提供一个秒脉冲信号；

转子脉冲采集与光电隔离电路：与CPU模块及硬件时钟与信号采集电路连接，发电机转子转动时由转子位置传感器生成的脉冲电信号，经过光电隔离和滤波处理后由CPU检测和采集，同时在CPU的控制下与硬件时钟与信号采集电路配合，确定该脉冲电信号出现的精确时刻，从而确定转子位置和发电机内电势相位；

硬件时钟与信号采集电路：与CPU模块及光电隔离电路连接，硬件时钟电路用于提供微秒级的时间，由高精度时钟源产生单位小于1微秒的计时脉冲信号，该信号送到计数器电路进行累加计数，供CPU读取；信号采集电路用于在转子脉冲信号到达时，在CPU控制下读取硬件时钟电路提供的微秒级时间，从而与GPS提供的时间信息相结合形成微秒级的GPS时标，精确地确定转子位置脉冲到来的时刻。

键盘与显示模块：与CPU模块连接，在CPU控制下检测各按键的状态，当有键按下时执行相应的命令，并通过数据总线向显示模块中的液晶显示器发送信息，显示GPS接收状态、监测功能、通讯状态等。

电源模块：为整个系统提供稳定的电源。

本发明是利用发电机上的位置传感器(例如光电传感器)和GPS的时钟信号，直接检测发电机转子位置和内电势相位，进而计算出功角。首先接收GPS发送的时钟信息，获得当前精确时间；同时利用转子脉冲采集电路和信号采集电路，采集发电机转子上的光电传感器发出的脉冲信号，对发电机转子位置进行监测；由于发电机转子位置直接决定了发电机内电势相位，因此也就同时获得发电机内电势相位。然后它经过数据通讯获得发电机端电压相位，最后计算发电机内电势相位和机端电压相位之间的相位差而获得功角。利用本装置与现有的相量测量单元(PMU)相配合，可在统一的GPS时钟基准下，在广域范围内实现不同地点的发电机和母线的功角监测，从而组成电力系统功角监测系统，实现电力系统广域稳定监视和控制。

本发明具有测量精度高、响应速度快、成本低、体积小的特点。其中，测量精度高是本发明的主要优点，是通过以下技术措施来保证的。首先，在工作原理上，本发明采用直接法进行测量，不受发电机模型的影响，能对各种不同类型的发电机进行精确测量。其次，本发明能够实时测量发电机的转速，因此即使发电机转速改变时，也能够通过软件对测量结果进行修正，从而计算出准确的功角。最后，由于采用了GPS时钟(误差为1微秒)和专门设计的微秒级硬件时钟电路，总测量误差小于5微秒(对应相角约0.09度)，完全能够满足电力系统稳定监控的需要。另外，由于采取采集后立即发送的策略，数据帧的发送间隔取决于转子的转速，大约是20ms。本发明采用通用型单片机(Intel 80C196 CPU)，合理安排各功能模块，构成了成本低、功能配置合理的数据采集装置，而且组装后的装置体积较小。

附图说明：

图1是本发明工作原理框图。

图2是本发明CPU模块和GPS模块电路原理图

图3是本发明转子脉冲采集与光电隔离电路、以及硬件时钟与信号采集电路原理图。

图4是本发明的键盘与显示模块的电路原理图。

其中：1、CPU微处理器，2、锁存器，3、程序存储器，4、数据存储器，5、译码器，6、对外通讯接口，7、GPS模块，8、转子位置传感器，9、光电隔离电路，10、时钟源，11、计数器，12、锁存器，13、可编程逻辑器件，14、液晶显示器，15、键盘，16、总线输入接口芯片，17、可编程逻辑器件

具体实施方式

实施例：

图1给出了本发明的工作原理框图。该发电机实时功角监测装置主要包括CPU模块、GPS模块、转子脉冲采集与光电隔离电路、硬件时钟与信号采集电路、键盘与显示模块，以及电源模块。

CPU模块：与GPS模块、转子脉冲采集与光电隔离电路、硬件时钟与信号采集电路、键盘与显示模块相连接，用来完成转子位置信号的采集、形成GPS时标、进行数据通讯、完成功角计算等多种任务。如图2所示，CPU模块包括CPU微处理器1、锁存器2、程序存储器3、数据存储器4、译码器5和对外通讯接口6等部分。其中CPU微处理器1采用16位的80C196单片机，它具有256字节片内RAM和专用寄存器，片外可寻址空间为64K字节。由于80C196片内不含程序存储器，因此在外部扩展了程序存储器3和数据存储器4，并由锁存器2完成低8位地址与数据的分离，由译码器5完成地址空间的分配。80C196 CPU具有丰富的I/O接口，包括高速输入口、高速输出口、A/D转换接口、定时器接口、中断接口、串行通讯接口等，适合用于工业现场来完成各种监视和控制任务。本发明中利用80C196的高速输出口HS03和高速输入口HSI3构造了软件串行口，通过软件编程实现串行数据的发送和接收，用来和GPS模块7进行通讯，以获得GPS时间信息；GPS模块输出的秒脉冲信号(1PPS)直接送入CPU的高速输入口HSI0；CPU原有的RXD和TXD串行接口则用来和外部装置(如PMU)进行通讯，获得发电机端电压相位，从而实现功角的计算。为了连接外围的其他模块，CPU模块还将8位数据总线(DataBus)、低8位地址总线(AddrBus)、高8位地址译码输出(PA5)、读允许信号(/RD)、写允许信号(/WR)、高速输出口(HSI0和HSI1)，以及高速输入口(HSI1)等信号线引出，管理和控制外围的转子脉冲采集与光电隔离电路、硬件时钟与信号采集电路、键盘与显示模块。

GPS模块：与GPS天线和CPU模块连接，图2中给出了GPS模块7与CPU微处理器1的电路接线图。本装置选用GPS(全球定位系统)作为系统时钟。为了获得GPS的时间信息，本装置的GPS模块选用定时型的GPS接收器，具有体积小、易于安装等特点。GPS模块需要外接一个GPS天线，而GPS天线通常被引到室外安装在较高的位置，以获得更好的GPS信号接收性能。收到GPS信号后，GPS模块能够通过串行口(也就是其RXD和TXD引脚)向CPU提供年、月、日、时、分、秒等时间信息，同时还输出一个秒脉冲信号(1PPS)。

转子脉冲采集与光电隔离电路：与CPU模块、及硬件时钟与信号采集电路连接，其电路原理图如图3所示。安装在发电机上的转子位置传感器8(例如光电传感器)，可以在发电机转子转动时生成脉冲电信号，该脉冲电信号经过光电隔离电路9和滤波处理后由CPU的高速输入端口HSI1检测和采集，同时提供给硬件时钟与信号采集电路。由于该脉冲电信号与转子位置相对应，所以通过检测该脉冲电信号出现的精确时刻(微秒级)就可以确定转子位置和发电机内电势相位。为保证测量精度，本装置在采集转子脉冲信号时，利用能承受上千伏高压的光电隔离器件(TLP521-4)设计了光电隔离电路9，并配合电容滤波和软件滤波，有效地滤除干扰信号，并保护装置内部电路的安全。

硬件时钟与信号采集电路：与CPU模块及光电隔离电路连接，图3中给出了其电路原理图，该电路包括硬件时钟电路和信号采集电路两个部分。其中硬件时钟电路包括2MHz的时钟源10和两个计数器11，信号采集电路包括三个锁存器12，它们都由可编程逻辑器件(GAL16V8)13完成地址译码和逻辑控制。由于GPS模块发送的时钟信号的最小时间单位是秒，不能满足电力系统进行功角计算时的精度要求，因此本发明专门设计硬件时钟电路，来产生微秒级的时标。与采用CPU内的软件时钟相比，采用硬件时钟电路的优点是不会受到CPU任务繁忙程度和中断响应时间等因素影响，具有更高的计时精度。该硬件时钟电路使用一个频率为2MHz的高精度时钟源，产生单位为0.5微秒的计时信号，该计时信号送到计数器电路11进行累加计数，以备CPU读取，从而可以提供转子脉冲信号到来的微秒级时间。两个计数器CD4040的RST(复位)引脚连接到GAL16V8的输出端，在逻辑上受CPU的高速输出口HSO0的控制，这样CPU可以根据需要对计数器进行复位清零操作。信号采集电路12在转子脉冲信号到达时，首先在HSO1和GAL16V8控制下同时给两个锁存器12的CLK引脚提供锁存信号，记忆住当时计数器11的计数值；然后利用GAL16V8依次译码输出读数据信号到锁存器12的OE(输出允许)引脚，分3次将3个锁存器记忆的微秒级时间信息通过数据总线(DataBus)提供给CPU。这样，CPU综合利用从GPS模块获得的GPS的时间信息(单位是秒)和硬件时钟电路提供的微秒级时间，形成微秒级GPS时标，从而精确地确定转子位置脉冲到来的时刻。

键盘与显示模块：与CPU模块连接，图4给出了其电路原理图，它包括液晶显示器(LCD)14、键盘(KEY1～KEY7)15、总线输入接口芯片(74LS244)16，以及可编程逻辑器件(GAL16V8)17。本装置具有较好的人机联系功能，配备有薄膜键盘和液晶显示器，可以通过面板上的按键，来控制和显示装置的GPS接收状态、监测功能、通讯状态等。当读键盘信息时，首先由CPU控制输出地址信号(A2～A4和PA5)和读信号(/RD)到GAL16V8，GAL16V8完成地址译码后输出读允许信号到74LS244的第1和第19引脚，然后数据总线(DataBus)就可以通过总线输入接口芯片74LS244读取各按键的状态。当检测到有键按下时，CPU执行相应的命令。在显示信息时，首先由CPU输出地址信号(A0～A5和PA5)和写信号(/WR)到GAL16V8，GAL16V8进行地址译码后选通液晶显示器(LCD)，然后CPU通过数据总线(DataBus)向显示模块中的液晶显示器(LCD)发送信息，显示GPS接收状态、监测功能、通讯状态等。

电源模块：采用通用开关电源，为整个系统提供稳定的电源。

本发明具有以下特点：

1、测量精度高

首先，在工作原理上，本装置采用直接法对发电机进行测量，不受发电机模型的影响，能对各种不同类型的发电机进行精确测量。其次，本装置能够实时测量发电机的转速，因此即使在发电机转速改变时，也能够通过软件对测量结果进行修正，从而计算出准确的功角。另外，由于采用了GPS时钟(误差为1微秒)和专门设计的微秒级硬件时钟电路，总测量误差小于5微秒(对应相角约0.09度)，完全能够满足电力系统稳定监控的需要。

2、响应速度快

由于采用直接法测量，本装置输出转子位置和功角信息的时间间隔主要取决于发电机转子的转速，基本恒定为20毫秒。

3、成本低

采用INTEL公司的通用型单片机80C196，构成了成本低、功能合理的数据采集装置。

4、体积小

本装置通过合理划分功能模块，将各电路制成CPU板、信号采集板、显示和键盘板、电源模块等几个部分，组装完成后的装置体积很小。

Claims

1、一种发电机实时功角监测装置，其特征在于：包括CPU模块、GPS模块、转子脉冲采集与光电隔离电路、硬件时钟与信号采集电路、键盘与显示模块，以及电源模块：

硬件时钟与信号采集电路：与CPU模块及光电隔离电路连接，硬件时钟电路用于提供微秒级的时间；信号采集电路用于在转子脉冲信号到达时，在CPU控制下读取硬件时钟电路提供的微秒级时间，从而与GPS提供的时间信息相结合形成微秒级的GPS时标，精确地确定转子位置脉冲到来的时刻；

键盘与显示模块：与CPU模块连接，在CPU控制下检测各按键的状态，当有键按下时执行相应的命令，并通过数据总线向显示模块中的液晶显示器发送信息，显示GPS接收状态、监测功能、通讯状态等；

电源模块：采用通用开关电源，为整个装置提供稳定的电源。

2、根据权利要求1所述的发电机实时功角监测装置，其特征在于：选用定时型的GPS接收器作为GPS模块，而且同时利用了GPS模块输出的时间信息和秒脉冲信号。

3、根据权利要求1所述的发电机实时功角监测装置，其特征在于：所述硬件时钟电路中，由高精度时钟源产生单位小于1微秒的计时脉冲信号，该信号送到计数器电路进行累加计数，供CPU读取。